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JP2008037747A - Method for manufacturing silicon of solar grade - Google Patents

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JP2008037747A
JP2008037747A JP2007201580A JP2007201580A JP2008037747A JP 2008037747 A JP2008037747 A JP 2008037747A JP 2007201580 A JP2007201580 A JP 2007201580A JP 2007201580 A JP2007201580 A JP 2007201580A JP 2008037747 A JP2008037747 A JP 2008037747A
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Thomas Francis Mcnulty
トーマス・フランシス・マックノルティ
Mark Philip D'evelyn
マーク・フィリップ・デェブリン
John Thomas Leman
ジョン・トーマス・レマン
Roman Shuba
ローマン・シュバ
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General Electric Co
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus and a method for manufacturing silicon of a solar grade. <P>SOLUTION: The method for manufacturing silicon of the solar grade from a starting material containing a silica-containing granule and a carbon-containing film arranged in at least a part of the silica-containing granule comprises the steps of: heating the starting material to produce an intermediate; and further reacting the intermediate to produce the silicon of the solar grade. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は広義にはシリコンの製造法、特にソーラーグレードのシリコンの製造法に関する。   The present invention relates generally to a method for producing silicon, and more particularly to a method for producing solar grade silicon.

シリコンは、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池に用いられる。太陽電池に用いられるシリコンは「ソーラーグレード」と呼ばれる品質のもので、その純度は約99.999%を超える。ソーラーグレードのシリコンでは、元素周期律表第III族及び第V族の電気活性元素、特にホウ素及びリンの含有量が極めて低いことが非常に重要である。このような不純物の存在は太陽電池の性能に悪影響を与えかねないからである。   Silicon is used in solar cells that convert solar energy into electrical energy. Silicon used in solar cells is of a quality called “solar grade” and its purity exceeds about 99.999%. In solar grade silicon it is very important that the content of group III and V electroactive elements of the Periodic Table of Elements, especially boron and phosphorus, is very low. This is because the presence of such impurities may adversely affect the performance of the solar cell.

太陽電池及び太陽電池を備えた装置の普及は、ソーラーグレードシリコンの入手性及びコストに大きく依存する。光電池産業では2005年に15000トンを超えるシリコンが使用され、その量は毎年約30%の割合で伸びている。ソーラーグレードのシリコンの生産方法は幾つか知られているが、その大半は加工に関して1以上の短所がある。これらの方法の幾つかはシリカのようなケイ質化合物の炭素熱還元に基づくもので、ソーラーグレードのシリコンの生産には高純度の原料が必要とされる。
米国特許第4247528号明細書 米国特許第4439410号明細書 英国特許第21081096号明細書 Yasuhiko SAKAGUCHI, Masato ISHIZAKI, Tetsuro KAWAHARA, Makoto FUKAI, Mitsugi YOSHIYAGAWA and Fukuo ARATANI.; “Production of High Purity Silicon by Carbothermic Reduction of Silica Using AC-arc Furnace with Heated Shaft”; ISIJ International. Vol, 32 (1992), No. 5, pp. 643-649
The spread of solar cells and devices with solar cells is highly dependent on the availability and cost of solar grade silicon. In the photovoltaic industry, over 15,000 tons of silicon was used in 2005, and the amount is growing at a rate of about 30% every year. Several methods of producing solar grade silicon are known, most of which have one or more disadvantages in processing. Some of these methods are based on the carbothermal reduction of siliceous compounds such as silica, and high purity raw materials are required for the production of solar grade silicon.
US Pat. No. 4,247,528 US Pat. No. 4,439,410 British Patent No. 21081096 Yasuhiko SAKAGUCHI, Masato ISHIZAKI, Tetsuro KAWAHARA, Makoto FUKAI, Mitsugi YOSHIYAGAWA and Fukuo ARATANI .; “Production of High Purity Silicon by Carbothermic Reduction of Silica Using AC-arc Furnace with Heated Shaft”; ISIJ International. Vol, 32 (1992), No. 5, pp. 643-649

そこで、ソーラーグレードのシリコンの生産における上述の1以上の問題に対処し得る方法を提供することが望まれる。   Accordingly, it is desirable to provide a method that can address one or more of the problems discussed above in the production of solar grade silicon.

本発明の実施形態では、シリコンの製造方法を提供する。本方法では、複数の顆粒を含む出発原料を準備するが、顆粒はシリカと顆粒の少なくとも一部に設けられた皮膜とを含み、皮膜は炭素を含む。本方法は、さらに、出発原料を加熱してシリカと炭化ケイ素とを含む中間体を生成させることを含む。本方法は、さらに、中間体を反応させてシリコンを生成させることを含む。   In an embodiment of the present invention, a method for manufacturing silicon is provided. In this method, a starting material including a plurality of granules is prepared. The granules include silica and a film provided on at least a part of the granules, and the film includes carbon. The method further includes heating the starting material to produce an intermediate comprising silica and silicon carbide. The method further includes reacting the intermediate to produce silicon.

本発明の上記その他の特徴、態様及び効果は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することによって理解を深めることができよう。図面を通して、同様の部品には同様の符号を付した。   These and other features, aspects and advantages of the present invention can be better understood with reference to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Throughout the drawings, like parts are given like reference numerals.

本明細書及び特許請求の範囲では多くの用語を用いるが、以下の意味をもつものと定義される。単数形で記載したものであっても、前後関係から明らかでない限り、複数の場合も含めて意味する。本明細書で用いる「全圧」という用語は、混合物のすべての成分の分圧の合計をいう。本明細書で用いる「分圧」という用語は、全圧に対して特定の成分の圧力をいう。   In this description and in the claims, a number of terms are used and are defined to have the following meanings. Even in the singular form, it includes plural cases unless it is clear from the context. As used herein, the term “total pressure” refers to the sum of partial pressures of all components of a mixture. As used herein, the term “partial pressure” refers to the pressure of a particular component relative to the total pressure.

シリコン系太陽エネルギー産業の成長は、ソーラーグレードシリコンのコストによってある程度制約される。ソーラーグレードシリコンのコストは、加工に要するコストだけでなく、製造用の原料コストに起因する。シリコン生産用の典型的な原料には、ケイ質源と炭素源がある。低コスト原料を用いる方法では、得られたシリコンを精製するため一段と費用のかかる加工条件が必要となりかねない。本発明の実施形態では、このような問題を解決することを課題とする。   The growth of the silicon-based solar energy industry is limited to some extent by the cost of solar grade silicon. The cost of solar grade silicon is attributed not only to the cost of processing but also to the raw material costs for manufacturing. Typical raw materials for silicon production include siliceous and carbon sources. In the method using a low cost raw material, more expensive processing conditions may be required to purify the obtained silicon. An object of the embodiment of the present invention is to solve such a problem.

本発明の実施形態では、炭化水素を用いたシリカの還元によってソーラーグレードシリコンを製造する。炭化水素は、例えば高純度カーボンブラックのような他の炭素源に比べると安価である。さらに、液状又はガス状炭化水素は高純度で入手し易い。本発明のさらに別の実施形態では、顆粒状の原料の使用によって反応器内での原料の充填密度を高めるが、これによって加工コストをさらに下げることができる。   In an embodiment of the invention, solar grade silicon is produced by silica reduction using a hydrocarbon. Hydrocarbons are cheaper than other carbon sources such as high purity carbon black. Furthermore, liquid or gaseous hydrocarbons are highly pure and readily available. In yet another embodiment of the present invention, the use of granular raw materials increases the packing density of the raw materials in the reactor, which can further reduce processing costs.

図面を参照すると、図1は、本発明の実施形態に係るソーラーグレードのシリコン製造法のフローチャート10である。工程12では、複数の顆粒と顆粒の少なくとも一部に堆積した皮膜とからなる出発原料を反応器内に仕込む。本明細書で用いる「顆粒」という用語は、例えば原料の大きなブロックのようなひとかたまりの固体とは異なり、出発原料の個々の単位をいい、本明細書で用いる用語は、ミクロン単位の微粒粉体(例えば325メッシュの粉体)から、センチメートル単位の粒度の材料の比較的大きなペレットまでの単位を包含する。複数の顆粒は、ある実施形態では、約1μm〜約150μmのメジアン粒径を有する。複数の顆粒は純粋なシリカからなるものでもよく、大きなシリカ粒子の粉砕によって得てもよい。シリカの純度を高めるため、顆粒をさらに鉱酸、例えば特に限定されないが、硝酸、塩酸、フッ化水素酸、王水、ケイフッ化水素酸、硫酸、過塩素酸、リン酸及びこれらの組合せなどで洗浄してもよい。他の実施形態では、顆粒はペレットのような凝集体である。ペレットのメジアン粒径は通例センチメートル単位である。ある実施形態では、凝集体は、シリカ粉体又は粒子をバインダーと混合して混合物とし、混合物を溶媒の蒸発によるバインダーの乾燥、部分的分解又は分解に付すか、ベーキング又は加熱することによって形成される。バインダーの例としては、炭化水素、糖類、セルロース、炭水化物、ポリエチレングリコール、ポリシロキサン及びポリマー材料が挙げられる。ある実施形態では、出発原料の顆粒のメジアン粒径は約150μm〜約1mmである。ある実施形態では、出発原料の顆粒のメジアン粒径は約1〜約5mmである。他の実施形態では、出発原料の顆粒のメジアン粒径は約5mm〜約5cmである。   Referring to the drawings, FIG. 1 is a flowchart 10 of a solar grade silicon manufacturing method according to an embodiment of the present invention. In step 12, a starting material comprising a plurality of granules and a film deposited on at least a part of the granules is charged into the reactor. As used herein, the term “granule” refers to an individual unit of starting material, as opposed to a mass of solids, for example, a large block of raw material, and the term used herein is a micron-sized fine powder. Includes units from (for example, 325 mesh powder) to relatively large pellets of centimeter-sized material. The plurality of granules, in certain embodiments, have a median particle size of about 1 μm to about 150 μm. The plurality of granules may consist of pure silica or may be obtained by grinding large silica particles. In order to increase the purity of the silica, the granules are further refined with mineral acids such as, but not limited to, nitric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid, aqua regia, hydrofluoric acid, sulfuric acid, perchloric acid, phosphoric acid and combinations thereof. You may wash. In other embodiments, the granules are agglomerates such as pellets. The median particle size of the pellets is typically in centimeters. In certain embodiments, the agglomerates are formed by mixing silica powder or particles with a binder to form a mixture, subjecting the mixture to drying, partial degradation or decomposition of the binder by evaporation of the solvent, baking or heating. The Examples of binders include hydrocarbons, saccharides, cellulose, carbohydrates, polyethylene glycols, polysiloxanes and polymeric materials. In some embodiments, the starting granule has a median particle size of about 150 μm to about 1 mm. In some embodiments, the starting granule has a median particle size of about 1 to about 5 mm. In other embodiments, the starting granule has a median particle size of about 5 mm to about 5 cm.

出発原料の純度は、最終的に得られるソーラーグレードシリコンの特性に多大な影響を与える。ある実施形態では、出発原料の純度は約99.999%である。別の実施形態では、出発原料の純度は約99.9999%を超える。また、出発原料中のホウ素及びリンの量は所定の限度未満であるのが望ましい。典型的には、かかる上限は約50ppb〜約500ppbである。   The purity of the starting material greatly affects the properties of the final solar grade silicon. In certain embodiments, the purity of the starting material is about 99.999%. In another embodiment, the purity of the starting material is greater than about 99.9999%. Further, it is desirable that the amount of boron and phosphorus in the starting material is less than a predetermined limit. Typically, such an upper limit is about 50 ppb to about 500 ppb.

出発原料を準備する工程12は、ある実施形態では、シリカを含む顆粒の少なくとも一部で炭化水素を分解することを含む。炭化水素の分解は「炭化水素のクラッキング」とも呼ばれ、炭化水素が分解して顆粒表面に炭素からなる皮膜を形成する。こうした分解反応の一例は次の化学式で表される。   Preparing the starting material 12 includes, in one embodiment, cracking hydrocarbons in at least a portion of the granule comprising silica. The decomposition of hydrocarbons is also called “hydrocarbon cracking”, and the hydrocarbons decompose to form a film made of carbon on the surface of the granules. An example of such a decomposition reaction is represented by the following chemical formula.

CH → C + 2H
ここでは、炭化水素としてメタンが分解して炭素を生成して、顆粒上の皮膜として堆積する。これは水素ガスの放出を伴う。ある実施形態では、上記の反応が起こるゾーンに掃去ガスを流して水素ガスを除去する。掃去ガスの具体例としては、特に限定されないが、アルゴン、ヘリウム又は水素のような不活性ガスが挙げられる。
CH 4 → C + 2H 2
Here, methane decomposes as a hydrocarbon to produce carbon, which is deposited as a film on the granules. This is accompanied by the release of hydrogen gas. In one embodiment, the scavenging gas is passed through the zone where the above reaction occurs to remove the hydrogen gas. Specific examples of the scavenging gas include, but are not limited to, an inert gas such as argon, helium, or hydrogen.

ある実施形態では、皮膜は顆粒の少なくとも一部の表面に堆積する。ある実施形態では、皮膜は、実質的にすべての顆粒の表面に堆積する。ある実施形態では、皮膜は、被覆される顆粒の表面全体を実質的に被覆する。炭素からなる皮膜をシリカからなる顆粒上に堆積させると、シリカとの以降の反応に利用可能な炭素の表面積が、こうした皮膜を用いない従来法で利用可能な表面積よりも格段に広くなり、ソーラーグレードシリコンの収率の向上につながる。本発明の実施形態では、出発原料のシリカと炭素のモル比は、分解反応全体の化学に従って、約1:2である。   In certain embodiments, the coating is deposited on the surface of at least a portion of the granule. In certain embodiments, the coating is deposited on the surface of substantially all granules. In certain embodiments, the coating substantially covers the entire surface of the granules to be coated. When a film of carbon is deposited on a granule of silica, the surface area of carbon available for subsequent reactions with silica is significantly greater than the surface area available with conventional methods without such a film. This leads to an improvement in the yield of grade silicon. In an embodiment of the invention, the starting silica to carbon molar ratio is about 1: 2, according to the overall chemistry of the decomposition reaction.

ある実施形態では、炭化水素の分解は、約600℃を超える温度に炭化水素を加熱することを含む。ある実施形態では、炭化水素は約1000℃を超える温度で分解する。ある実施形態では、炭化水素は、炭化水素の直鎖、枝分れ鎖又は環状異性体、例えばアルカン、アルケン、アルキン及び芳香族炭化水素化合物からなる。好適な炭化水素の具体例としては、特に限定されないが、天然ガス、メタン、ブタン、プロパン、アセチレン又はこれらの組合せが挙げられる。ある実施形態では、炭化水素は気体である。ある実施形態では、炭化水素は周囲圧力及び温度で液体である。   In certain embodiments, the cracking of the hydrocarbon includes heating the hydrocarbon to a temperature greater than about 600 degrees Celsius. In certain embodiments, the hydrocarbon decomposes at a temperature greater than about 1000 ° C. In some embodiments, the hydrocarbon consists of linear, branched or cyclic isomers of hydrocarbons, such as alkanes, alkenes, alkynes and aromatic hydrocarbon compounds. Specific examples of suitable hydrocarbons include, but are not limited to, natural gas, methane, butane, propane, acetylene, or combinations thereof. In certain embodiments, the hydrocarbon is a gas. In certain embodiments, the hydrocarbon is a liquid at ambient pressure and temperature.

工程14で、出発原料を加熱して炭化ケイ素とシリカとを含む中間体を生成する。出発原料は約1600℃を超える温度で加熱される。ある実施形態では、加熱温度は約1750℃を超える。中間体生成反応は次の化学式で表される。   In step 14, the starting material is heated to produce an intermediate comprising silicon carbide and silica. The starting material is heated at a temperature above about 1600 ° C. In certain embodiments, the heating temperature is greater than about 1750 ° C. The intermediate formation reaction is represented by the following chemical formula.

3SiO + 6C → SiO + 2SiC + 4CO
ここでは、シリカが炭素と反応して炭化ケイ素とシリカを生成し、一酸化炭素ガスの放出を伴う。ある実施形態では、シリカは液体シリカから実質的になる。本発明の実施形態では、一酸化炭素の分圧を、熱力学的平衡状態に必要とされる圧力よりも低く保つことによって、上記反応の平衡を中間体形成の方向(つまり上記化学式の右側)にシフトさせることができる。ある実施形態では、一酸化炭素の分圧は約50kPa未満とする。別の実施形態では、一酸化炭素の分圧は約25kPa未満とする。一実施形態では、前工程について述べた掃去ガスを中間体に流すことによって、一酸化炭素の分圧を保つ。掃去ガスの流速は、処理を行う反応器の設計及び構成、反応器内の材料充填密度などによって左右される。一実施形態では、反応器の全圧は約100〜約150kPaである。別の実施形態では、反応器の全圧は約150キロ〜約200kPaである。さらに別の実施形態では、反応器の全圧は約200kPaを超える。
3SiO 2 + 6C → SiO 2 + 2SiC + 4CO
Here, silica reacts with carbon to produce silicon carbide and silica, accompanied by the release of carbon monoxide gas. In certain embodiments, the silica consists essentially of liquid silica. In an embodiment of the present invention, the equilibrium of the reaction is maintained in the direction of intermediate formation (ie, to the right of the chemical formula) by keeping the partial pressure of carbon monoxide lower than that required for thermodynamic equilibrium. Can be shifted. In some embodiments, the partial pressure of carbon monoxide is less than about 50 kPa. In another embodiment, the partial pressure of carbon monoxide is less than about 25 kPa. In one embodiment, the partial pressure of carbon monoxide is maintained by flowing the scavenging gas described for the previous step through the intermediate. The flow rate of the scavenging gas depends on the design and configuration of the reactor for processing, the material packing density in the reactor, and the like. In one embodiment, the total reactor pressure is from about 100 to about 150 kPa. In another embodiment, the total reactor pressure is from about 150 kg to about 200 kPa. In yet another embodiment, the total reactor pressure is greater than about 200 kPa.

工程16で、炭化ケイ素とシリカとを含む中間体を反応させてシリコンを生成させる。中間体は概して約2000℃を超える温度に加熱される。ある実施形態では、加熱温度は約2100℃を超える。ソーラーグレードのシリコン生成反応は次の化学式で表される。   In step 16, an intermediate comprising silicon carbide and silica is reacted to produce silicon. The intermediate is generally heated to a temperature above about 2000 ° C. In certain embodiments, the heating temperature is greater than about 2100 ° C. The solar grade silicon production reaction is represented by the following chemical formula:

SiO + 2SiC → 3Si + 2CO
前工程と同様に、一酸化炭素分圧を熱力学的平衡で規定されるレベル未満に保つことによって、反応の平衡を上記化学式の右側つまりソーラーグレードシリコン生成方向にシフトさせることができる。ある実施形態では、一酸化炭素の分圧は約90kPa未満の圧力に保たれる。ある実施形態では、一酸化炭素の分圧は約46kPa未満の圧力に保たれる。ある実施形態では、不活性ガスからなる掃去ガスを流すことによって、一酸化炭素分圧を保つ。ある実施形態では、生成するソーラーグレードのシリコンは液体シリコンから実質的になる。
SiO 2 + 2SiC → 3Si + 2CO
Similar to the previous step, by keeping the carbon monoxide partial pressure below the level defined by the thermodynamic equilibrium, the reaction equilibrium can be shifted to the right side of the above formula, that is, the solar grade silicon production direction. In some embodiments, the carbon monoxide partial pressure is maintained at a pressure of less than about 90 kPa. In some embodiments, the partial pressure of carbon monoxide is maintained at a pressure less than about 46 kPa. In one embodiment, the carbon monoxide partial pressure is maintained by flowing a scavenging gas composed of an inert gas. In some embodiments, the resulting solar grade silicon consists essentially of liquid silicon.

ある実施形態では、ソーラーグレードのシリコンを使用する前に、追加の精製工程に付す。例えば、シリコン中の炭素又は残留金属レベルを下げることが望まれることもある。例示的な精製工程は、溶融シリコン中の粒状物の沈降による除去、溶融シリコン中の粒状物の濾過による除去、溶融シリコンに酸素を吹き込むことによる精製、溶融シリコンに湿性水素を吹き込むことによる精製、ゾーン精製、方向性凝固又は真空加熱の少なくともいずれかを含む。   In some embodiments, an additional purification step is applied before using solar grade silicon. For example, it may be desirable to reduce the level of carbon or residual metal in silicon. Exemplary purification steps include removal by precipitation of particulates in molten silicon, removal of particulates in molten silicon by filtration, purification by blowing oxygen into the molten silicon, purification by blowing wet hydrogen into the molten silicon, Including zone purification, directional solidification or vacuum heating.

ある実施形態は、ソーラーグレードシリコンの純度は約99.999%超である。別の実施形態では、ソーラーグレードシリコンの純度は約99.999〜約99.9999%である。ある実施形態では、ソーラーグレードシリコンの純度には、出発材料の純度が反映される。   In certain embodiments, the purity of solar grade silicon is greater than about 99.999%. In another embodiment, the purity of solar grade silicon is from about 99.999 to about 99.9999%. In some embodiments, the purity of solar grade silicon reflects the purity of the starting material.

一実施形態に係るソーラーグレードシリコンの製造装置20の一例を図2に示す。ある実施形態では、装置20は、反応器の一端から複数の顆粒を含む出発原料を受け取って、反応器の反対側端部でシリコンを含む生成物を回収するように構成された反応器である。装置20は、導入口、出口、熱エネルギー源などの多くの部品を備える。ある実施形態では、装置20はマルチゾーン加熱炉を備え、マルチゾーンの各ゾーンの温度は独立に制御可能である。装置20は、壁24を有するハウジング22を備える。ある実施形態では、ハウジング22は1以上の壁24を備える。壁24は、チャンバー28を画成する内面26を有する。ハウジング22の壁24は、ソーラーグレードシリコン製造の材料要件を満足する金属、耐火材料、グラファイト、炭化ケイ素又は溶融シリカで作られる。例示した実施形態では、装置20の壁24はグラファイト製である。さらに、壁24の内面26に不活性ライナー(図示せず)を設けてもよい。ライナー材料は、有害夾雑物の供給源とならないように選択される。ライナーによって、壁24の内面26への材料の堆積を防止もしくは低減させることができる。好適には、ライナーは清掃プロセスの際に壁24から堆積物を剥ぎ取ることができるように取り外しできるものでもよい。   An example of a solar grade silicon manufacturing apparatus 20 according to an embodiment is shown in FIG. In one embodiment, the apparatus 20 is a reactor configured to receive a starting material comprising a plurality of granules from one end of the reactor and to recover a product comprising silicon at the opposite end of the reactor. . The apparatus 20 includes many components such as an inlet, an outlet, and a heat energy source. In some embodiments, the apparatus 20 comprises a multi-zone furnace and the temperature of each zone of the multi-zone can be controlled independently. Device 20 includes a housing 22 having a wall 24. In some embodiments, the housing 22 includes one or more walls 24. Wall 24 has an inner surface 26 that defines a chamber 28. The wall 24 of the housing 22 is made of metal, refractory material, graphite, silicon carbide or fused silica that meets the material requirements for solar grade silicon manufacturing. In the illustrated embodiment, the wall 24 of the device 20 is made of graphite. Further, an inert liner (not shown) may be provided on the inner surface 26 of the wall 24. The liner material is selected so that it is not a source of harmful contaminants. The liner can prevent or reduce material deposition on the inner surface 26 of the wall 24. Preferably, the liner may be removable so that deposits can be stripped from the wall 24 during the cleaning process.

ハウジング22の壁24の構成(例えば、形状や大きさ)は、処理条件に応じて設定できる。その構成は部品の寸法及び数によって左右される。一実施形態では、ハウジング22は矩形である。図示した実施形態では、装置20は、外径約7.5cm〜約5m、長さ約1〜約10mの円筒形で垂直配置に構成されるが、これとは異なる寸法及び/又は形状の装置20も使用できる。チャンバー28は所定の容積を有する。装置20のチャンバー28を、各ゾーンでの反応に基づいて第1のゾーン32、第2のゾーン34、第3のゾーン36の複数のゾーンに分けてもよいが、ゾーン間の物理的障壁に関しては何の条件もない。   The configuration (for example, shape and size) of the wall 24 of the housing 22 can be set according to processing conditions. Its configuration depends on the size and number of parts. In one embodiment, the housing 22 is rectangular. In the illustrated embodiment, the device 20 is configured in a cylindrical, vertical configuration with an outer diameter of about 7.5 cm to about 5 m and a length of about 1 to about 10 m, but with a different size and / or shape. 20 can also be used. The chamber 28 has a predetermined volume. The chamber 28 of the apparatus 20 may be divided into a plurality of zones, a first zone 32, a second zone 34, and a third zone 36 based on the reaction in each zone, but with respect to the physical barrier between the zones. There are no conditions.

チャンバー28に熱エネルギーを供給するため、ハウジング22の近傍に一組の熱エネルギー源40、42及び44を配設してもよい。ある実施形態では、熱エネルギー源40、42、44は独立に制御可能である。ある実施形態では、第1の熱エネルギー源40、第2の熱エネルギー源42、第3の熱エネルギー源44は、それぞれ、第1ゾーン32、第2ゾーン34及び第3ゾーン36に異なる温度を供給し得る。一実施形態では、熱エネルギーはヒーターで供給される。ヒーターは、抵抗加熱又は誘導加熱によって熱エネルギーを供給し得る。ヒーターの例としては、特に限定されないが、セラミックヒーター、モリブデンヒーター、分割炉ヒーター、3ゾーン分割炉ヒーター又は誘導加熱ヒーターが挙げられる。誘導加熱ヒーターを用いる場合、ハウジング22の壁24は、チャンバー28の誘導加熱のためのサセプタとして作用し得るものである。ある実施形態では、単一熱エネルギー源をハウジング近傍に設けて、各反応ゾーンに異なる温度が供給されるように構成してもよい。   A set of thermal energy sources 40, 42, and 44 may be disposed near the housing 22 to supply thermal energy to the chamber 28. In certain embodiments, the thermal energy sources 40, 42, 44 are independently controllable. In some embodiments, the first thermal energy source 40, the second thermal energy source 42, and the third thermal energy source 44 have different temperatures in the first zone 32, the second zone 34, and the third zone 36, respectively. Can be supplied. In one embodiment, the thermal energy is supplied with a heater. The heater can supply thermal energy by resistance heating or induction heating. Examples of the heater include, but are not limited to, a ceramic heater, a molybdenum heater, a divided furnace heater, a three-zone divided furnace heater, or an induction heater. When an induction heater is used, the wall 24 of the housing 22 can act as a susceptor for induction heating of the chamber 28. In some embodiments, a single thermal energy source may be provided near the housing so that different temperatures are supplied to each reaction zone.

装置20の上部の第1ゾーン32の真上に、チャンバー28に材料を流入・流出させるための一組の導入口及び出口が設けられる。シリカ源導入口46及び炭化水素導入口48が壁24を貫通して延在し、それぞれシリカ源及び炭化水素を導入するためチャンバー28と連通している。シリカ源導入口46及び炭化水素導入口48はグラファイト、炭化ケイ素又は耐火材料で作製し得る。   A set of inlets and outlets for allowing material to flow into and out of the chamber 28 is provided directly above the first zone 32 at the top of the device 20. A silica source inlet 46 and a hydrocarbon inlet 48 extend through the wall 24 and communicate with the chamber 28 for introducing the silica source and hydrocarbon, respectively. The silica source inlet 46 and the hydrocarbon inlet 48 may be made of graphite, silicon carbide or a refractory material.

シリカ源導入口46は、チャンバー28内の雰囲気を乱さずにシリカをチャンバー28内に導入できるように、1以上の直列のゲートバルブ(図示せず)を備えていてもよい。シリカ源導入口46の上流には、チャンバー28内の状態を制御するための排気手段、補充手段及び制御手段を設けてもよい。   The silica source inlet 46 may include one or more serial gate valves (not shown) so that silica can be introduced into the chamber 28 without disturbing the atmosphere in the chamber 28. An exhaust unit, a replenishing unit, and a control unit for controlling the state in the chamber 28 may be provided upstream of the silica source introduction port 46.

炭化水素導入口48の端部は、図2に示すようにゾーン32の上方に位置していてもよい。ある実施形態では、炭化水素導入口48の端部はゾーン32内に位置していてもよい。さらに、炭化水素導入口48は内蔵管(nested tube)を備えていてもよく、炭化水素導入口48内の温度を下げるため内蔵管(図示せず)に冷却剤を流して炭化水素導入口48内での炭化水素の分解を抑制してもよい。一実施形態では、冷却剤はアルゴン又はヘリウムのような気流を含む。ある実施形態では、冷却剤は、水、エチレングリコール又はプロピレングリコールのような液体を含む。   The end of the hydrocarbon inlet 48 may be located above the zone 32 as shown in FIG. In some embodiments, the end of the hydrocarbon inlet 48 may be located in the zone 32. Further, the hydrocarbon introduction port 48 may be provided with a built-in tube, and in order to lower the temperature in the hydrocarbon introduction port 48, a coolant is passed through the built-in tube (not shown) and the hydrocarbon introduction port 48. The decomposition of hydrocarbons in the inside may be suppressed. In one embodiment, the coolant includes an air stream such as argon or helium. In certain embodiments, the coolant comprises a liquid such as water, ethylene glycol or propylene glycol.

チャンバー28への炭化水素の流速は、出発原料全体に均一な炭素皮膜が形成されるように調節すればよい。ガス状炭化水素の典型的な流速は約1000〜約100000cm/minであるが、寸法の異なる装置に対してはシリカ供給速度に応じて流速を変えてもよい。ある実施形態では、チャンバー28に炭化水素を供給するために外部ポンプを設けてもよい。外部ポンプは、炭化水素の流速をさらに制御することができるという利点がある。 What is necessary is just to adjust the flow rate of the hydrocarbon to the chamber 28 so that a uniform carbon film may be formed in the whole starting material. Typical flow rates for gaseous hydrocarbons are from about 1000 to about 100,000 cm 3 / min, but for devices of different dimensions, the flow rate may vary depending on the silica feed rate. In some embodiments, an external pump may be provided to supply hydrocarbons to the chamber 28. The external pump has the advantage that the hydrocarbon flow rate can be further controlled.

装置20の上部に設けられたガス出口50は壁24を貫通して延在し、チャンバー28と連通している。導入口46、48及びガス出口50はグラファイト、炭化ケイ素又は耐火材料で製造し得る。また、チャンバーへの材料の流れを制御するために、バルブ(図示せず)を単独で又はマスフローコントローラーと共に、導入口46、48及びガス出口50に設けてもよい。場合によっては、出発原料をさらに乾燥及び/又は精製するためのドライヤー及び/又は精製手段をシリカ源導入口46及び炭化水素導入口48に設けてもよい。   A gas outlet 50 provided at the top of the apparatus 20 extends through the wall 24 and communicates with the chamber 28. The inlets 46, 48 and the gas outlet 50 can be made of graphite, silicon carbide or refractory material. Moreover, in order to control the flow of the material to the chamber, valves (not shown) may be provided at the inlets 46 and 48 and the gas outlet 50 singly or together with the mass flow controller. In some cases, a dryer and / or purification means for further drying and / or purifying the starting material may be provided at the silica source inlet 46 and the hydrocarbon inlet 48.

第3ゾーン36下方の装置20の下端には、シリコン取出口52及びガス導入口54が設けられる。ガス導入口54は、実施形態によって適宜設けてもよい任意構成要素である。シリコン取出口52及びガス導入口は壁24を貫通して延在し、第3ゾーン36を通してチャンバー28と連通している。ある実施形態では、ガス導入口54は、チャンバー28内に掃去ガスを流すための外部ポンプを備えてもよい。シリコン取出口52及びガス導入口54は、グラファイト、炭化ケイ素、シリカその他ソーラーグレードシリコンの製造に適した耐火材料で作られる。チャンバー28に出入りする物質の流れを制御するため、シリコン取出口52及びガス導入口54に、バルブ(図示せず)を単独で又はマスフローコントローラー、開口及びバッフルと共に設けてもよい。チャンバー28は、混合を促進するため、1以上のバッフル、開口、フリットなどを備えていてもよい。さらに、ガス導入口54及びシリコン取出口52には、それぞれ掃去ガス及びソーラーグレードシリコンをさらに乾燥及び/又は精製するためのドライヤ及び/又はユースポイント精製手段を設けてもよい。   A silicon outlet 52 and a gas inlet 54 are provided at the lower end of the apparatus 20 below the third zone 36. The gas inlet 54 is an optional component that may be appropriately provided depending on the embodiment. The silicon outlet 52 and the gas inlet extend through the wall 24 and communicate with the chamber 28 through the third zone 36. In some embodiments, gas inlet 54 may include an external pump for flowing scavenging gas into chamber 28. Silicon outlet 52 and gas inlet 54 are made of refractory material suitable for the production of graphite, silicon carbide, silica or other solar grade silicon. In order to control the flow of material entering and exiting the chamber 28, the silicon outlet 52 and the gas inlet 54 may be provided with valves (not shown) alone or with a mass flow controller, opening and baffle. Chamber 28 may include one or more baffles, openings, frits, etc. to facilitate mixing. Further, the gas inlet 54 and the silicon outlet 52 may be provided with a dryer and / or a use point purification means for further drying and / or purifying the scavenging gas and solar grade silicon, respectively.

シリカ源導入口46は、シリカを含む顆粒をチャンバー28に導入する。チャンバー内での顆粒の典型的な充填密度は約10〜約50体積%である。第1ゾーン32に近接した第1の熱エネルギー源40を付勢して、チャンバー28内の温度を上げる。第1の熱エネルギー源40を付勢して、チャンバー28内の温度、特に第1ゾーン32の温度を所定の昇温速度で所定の温度に上昇させる。ある実施形態では、所定温度は600℃を超える。ある実施形態では、所定温度は1000℃を超える。   The silica source inlet 46 introduces silica-containing granules into the chamber 28. The typical packing density of the granules in the chamber is from about 10 to about 50% by volume. The first thermal energy source 40 proximate to the first zone 32 is energized to raise the temperature in the chamber 28. The first thermal energy source 40 is energized to increase the temperature in the chamber 28, particularly the temperature of the first zone 32, to a predetermined temperature at a predetermined temperature increase rate. In certain embodiments, the predetermined temperature is greater than 600 degrees Celsius. In certain embodiments, the predetermined temperature is greater than 1000 degrees Celsius.

炭化水素は、炭化水素導入口48からチャンバー28に導入される。所定温度に達すると、特に第1ゾーン32において、炭化水素化物が顆粒の表面で分解して炭素を含む皮膜を形成する。ある実施形態では、顆粒が第1ゾーン32から第2ゾーン34へと流れる際に、顆粒の大半は炭素を含む皮膜を有する。第2ゾーン34及び第3ゾーン36の顆粒も炭素を含む皮膜を有することがある。ある実施形態では、炭素は実質的に固体の形態にある。   The hydrocarbon is introduced into the chamber 28 from the hydrocarbon inlet 48. When the predetermined temperature is reached, particularly in the first zone 32, the hydrocarbons decompose at the surface of the granules to form a film containing carbon. In certain embodiments, as the granules flow from the first zone 32 to the second zone 34, the majority of the granules have a coating that includes carbon. The granules of the second zone 34 and the third zone 36 may also have a coating containing carbon. In certain embodiments, the carbon is in a substantially solid form.

皮膜形成後、第2の熱エネルギー源42を付勢することによって第2ゾーン34に熱エネルギーを供給して顆粒の温度を上昇させる。ある実施形態では、第2ゾーン34の温度は約1600℃を超える。ある実施形態では、第2ゾーン34の温度は約1750℃を超える。シリカと炭素とを含む顆粒は、シリカと炭化ケイ素とを含む中間体を形成する。中間体の形成によって、ある実施形態では、第2ゾーン34で一酸化ケイ素も放出される。一実施形態では、ガス導入口54から掃去ガスを流して、一酸化炭素の分圧を約50kPa未満に保つ。別の実施形態では、ガス導入口54から掃去ガスを流して一酸化炭素の分圧を約25kPa未満に保つ。掃去ガスによって、チャンバー28内で生成した一酸化炭素がガス出口50から除去される。掃去ガスは、水素、一酸化ケイ素のような他の不要ガス種も運び去る。掃去ガスの流速は、一酸化炭素の望ましい分圧が維持されるように調節すればよい。さらに、第2ゾーン34で生成した気相一酸化ケイ素が第1ゾーン32に存在する被覆顆粒上で凝縮してソーラーグレードシリコンへの変換に利用できるように、掃去ガスの流速を調節する。適宜、ガス出口50をモニターしてガス出口50から排出される一酸化炭素濃度を検出してもよく、チャンバー28内の反応条件の指標となり得る。装置20がガス導入口54を備えていない実施形態では、反応を制御するために掃去ガスをチャンバー28内に導入せず、他の代替技術を用いればよい。   After the coating is formed, the second thermal energy source 42 is energized to supply thermal energy to the second zone 34 to raise the temperature of the granules. In certain embodiments, the temperature of the second zone 34 is greater than about 1600 ° C. In certain embodiments, the temperature of the second zone 34 is greater than about 1750 ° C. Granules containing silica and carbon form an intermediate containing silica and silicon carbide. Formation of the intermediate also releases silicon monoxide in the second zone 34 in certain embodiments. In one embodiment, a scavenging gas is flowed from the gas inlet 54 to keep the partial pressure of carbon monoxide below about 50 kPa. In another embodiment, a scavenging gas is flowed from the gas inlet 54 to keep the carbon monoxide partial pressure below about 25 kPa. The carbon monoxide generated in the chamber 28 is removed from the gas outlet 50 by the scavenging gas. The scavenging gas also carries away other unwanted gas species such as hydrogen and silicon monoxide. The flow rate of the scavenging gas may be adjusted so that the desired partial pressure of carbon monoxide is maintained. Furthermore, the flow rate of the scavenging gas is adjusted so that the vapor phase silicon monoxide produced in the second zone 34 can be condensed on the coated granules present in the first zone 32 and used for conversion to solar grade silicon. As appropriate, the gas outlet 50 may be monitored to detect the concentration of carbon monoxide discharged from the gas outlet 50, which can be an indicator of the reaction conditions in the chamber 28. In embodiments where the apparatus 20 does not include a gas inlet 54, other alternative techniques may be used without introducing the scavenging gas into the chamber 28 to control the reaction.

第3の熱エネルギー源44を付勢することによって熱エネルギーを供給して第3ゾーン36の温度を上昇させる。ある実施形態では、第3ゾーン36の温度は約2000℃を超える。ある実施形態では、第3ゾーン36の温度は約2100℃を超える。中間体が反応してソーラーグレードのシリコンが生成し、一酸化炭素が放出される。実施形態によっては、中間体の反応によって、第3ゾーン36で一酸化ケイ素も放出される。一実施形態では、ガス導入口54から掃去ガスを流して、一酸化炭素の分圧を約90kPa未満に保つ。別の実施形態では、ガス導入口54から掃去ガスを流して、一酸化炭素の分圧を約46kPa未満に保つ。掃去ガスによって、一酸化炭素はチャンバー28からガス出口50を通して排出される。さらに、第3ゾーン36で生成した気相一酸化ケイ素が第1ゾーン32に存在する被覆顆粒上で凝縮してソーラーグレードシリコンへの変換に利用できるように、掃去ガスの流速を調節してもよい。シリカと炭化ケイ素とを含む中間体が反応してシリコンを生成する。ある実施形態では、シリコンは液状である。シリコンは第3ゾーン36の下方の装置20の下端で集められ、シリコン取出口52から排出すればよい。本方法は連続法でもよく、装置20の上部から材料を連続的に供給し、ソーラーグレードシリコンからなる生成物を装置20の下端のシリコン取出口52から回収すればよい。   Thermal energy is supplied by energizing the third thermal energy source 44 to raise the temperature of the third zone 36. In certain embodiments, the temperature of the third zone 36 is greater than about 2000 degrees Celsius. In certain embodiments, the temperature of the third zone 36 is greater than about 2100 ° C. The intermediate reacts to produce solar grade silicon and carbon monoxide is released. In some embodiments, the reaction of the intermediate also releases silicon monoxide in the third zone 36. In one embodiment, a scavenging gas is flowed from the gas inlet 54 to keep the carbon monoxide partial pressure below about 90 kPa. In another embodiment, a scavenging gas is flowed from the gas inlet 54 to keep the carbon monoxide partial pressure below about 46 kPa. The scavenging gas causes carbon monoxide to be exhausted from the chamber 28 through the gas outlet 50. Furthermore, the flow rate of the scavenging gas is adjusted so that the vapor phase silicon monoxide produced in the third zone 36 can be condensed on the coated granules present in the first zone 32 and used for conversion to solar grade silicon. Also good. An intermediate containing silica and silicon carbide reacts to produce silicon. In some embodiments, the silicon is liquid. Silicon may be collected at the lower end of the device 20 below the third zone 36 and discharged from the silicon outlet 52. This method may be a continuous method, in which material is continuously supplied from the upper part of the apparatus 20 and a product made of solar grade silicon is recovered from the silicon outlet 52 at the lower end of the apparatus 20.

一実施形態では、チャンバーから溶融シリコンが排出される前に制御冷却ができるように、第3ゾーン36とシリコン取出口52の間に第4ゾーン(図示せず)を設けてもよい。   In one embodiment, a fourth zone (not shown) may be provided between the third zone 36 and the silicon outlet 52 to allow controlled cooling before the molten silicon is discharged from the chamber.

ある実施形態では、垂直配置の代わりに反応器の軸を傾ける。反応器を垂直配置から所定角度で傾ける場合、シリカ源導入口、炭化水素導入口、ガス出口は、ガス導入口及びシリコン取出口の上方に設けられる。特定の実施形態では、シリカ源導入口、炭化水素導入口、ガス出口は反応器の一方の端部に設けられ、ガス導入口及びシリコン取出口は反応器の反対側の端部に設けられる。ある実施形態では、シリカと添加した炭化水素との混合を促進するため、或いは反応器の下方への被覆顆粒の移送を促進するため、反応器を回転させてもよい。   In some embodiments, the reactor axis is tilted instead of a vertical arrangement. When the reactor is tilted at a predetermined angle from the vertical arrangement, the silica source inlet, the hydrocarbon inlet, and the gas outlet are provided above the gas inlet and the silicon outlet. In certain embodiments, the silica source inlet, hydrocarbon inlet, and gas outlet are provided at one end of the reactor, and the gas inlet and silicon outlet are provided at the opposite end of the reactor. In certain embodiments, the reactor may be rotated to facilitate mixing of the silica with the added hydrocarbon, or to facilitate transport of the coated granules below the reactor.

本明細書では本発明の一部の特徴について例示し説明してきたが、数多くの修正及び変更は当業者には明らかであろう。従って、本願の特許請求の範囲は、そうした修正及び変更であって本発明の技術的思想に属するものをすべて包含する。   While certain features of the invention have been illustrated and described herein, many modifications and changes will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the claims of the present application include all such modifications and changes belonging to the technical idea of the present invention.

本発明の実施形態に係るシリコン製造法のフローチャート。The flowchart of the silicon manufacturing method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るシリコンの製造装置を示す図。The figure which shows the manufacturing apparatus of the silicon | silicone which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

20 装置
22 ハウジング
24 壁
26 内面
28 チャンバー
32 第1ゾーン
34 第2ゾーン
36 第3ゾーン
40 第1の熱源
42 第2の熱源
44 第3の熱源
46 シリカ源導入口
48 炭化水素導入口
50 ガス出口
52 シリコン取出口
54 ガス導入口
20 device 22 housing 24 wall 26 inner surface 28 chamber 32 first zone 34 second zone 36 third zone 40 first heat source 42 second heat source 44 third heat source 46 silica source inlet 48 hydrocarbon inlet 50 gas outlet 52 Silicon outlet 54 Gas inlet

Claims (10)

シリコン製造装置(20)であって、
チャンバー(28)を画成する内面(26)を有する壁(24)を備えるハウジング(22)と、
ハウジング(22)に近接した熱エネルギー源であって、チャンバー(28)に熱エネルギーを供給し得る熱エネルギー源と、
装置の一方の端部のシリカ源導入口(46)であって、複数の顆粒を含むシリカ源をチャンバー(28)内に導入するためチャンバー(28)と連通したシリカ源導入口(46)と、
装置の上記端部の炭化水素導入口(48)であって、チャンバー(28)内に炭化水素を導入するためチャンバー(28)と連通した炭化水素導入口(48)と、
装置の上記端部のガス出口(50)であって、チャンバー(28)からチャンバー(28)の外側に連通し、チャンバー(28)内からチャンバー(28)外へガスを排出し得るガス出口(50)と、
チャンバーの反対側端部のシリコン取出口であって、チャンバー(28)からチャンバー(28)の外側に連通し、生成したソーラーグレードシリコンを排出し得るシリコン取出口(52)と
を備える装置。
A silicon manufacturing apparatus (20),
A housing (22) comprising a wall (24) having an inner surface (26) defining a chamber (28);
A thermal energy source proximate to the housing (22) and capable of supplying thermal energy to the chamber (28);
A silica source inlet (46) at one end of the apparatus, the silica source inlet (46) communicating with the chamber (28) for introducing a silica source comprising a plurality of granules into the chamber (28); ,
A hydrocarbon inlet (48) at the end of the apparatus, the hydrocarbon inlet (48) communicating with the chamber (28) for introducing hydrocarbons into the chamber (28);
A gas outlet (50) at the end of the apparatus, the gas outlet (50) communicating from the chamber (28) to the outside of the chamber (28) and capable of exhausting gas from the chamber (28) to the outside of the chamber (28). 50),
A device comprising a silicon outlet at the opposite end of the chamber, the silicon outlet (52) communicating from the chamber (28) to the outside of the chamber (28) and capable of discharging generated solar grade silicon.
さらに、第1のゾーンの温度を約600℃超に高めるように構成された第1の熱エネルギー源(40)と、第2のゾーンの温度を約1600℃超に高めるように構成された第2の熱エネルギー源(42)と、第3のゾーンの温度を約2000℃超に高めるように構成された第3の熱エネルギー源(44)とを備える、請求項1記載の装置。 In addition, a first thermal energy source (40) configured to increase the temperature of the first zone to greater than about 600 ° C. and a first thermal energy source (40) configured to increase the temperature of the second zone to greater than about 1600 ° C. The apparatus of claim 1, comprising two thermal energy sources (42) and a third thermal energy source (44) configured to raise the temperature of the third zone to greater than about 2000 degrees Celsius. 当該装置がマルチゾーン加熱炉を備えており、該マルチゾーンの各ゾーンの温度が独立に制御可能である、請求項1記載の装置。 The apparatus according to claim 1, wherein the apparatus comprises a multi-zone heating furnace, and the temperature of each zone of the multi-zone can be independently controlled. さらに、掃去ガスを流入させるためのガス導入口(54)を当該装置の前記反対側端部に備える、請求項1記載の装置。 The apparatus of claim 1, further comprising a gas inlet (54) for allowing the sweep gas to flow into the opposite end of the apparatus. 炭化水素導入口(48)が、管内を冷却剤が流れるように構成された内蔵管をさらに備える、請求項1記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the hydrocarbon inlet (48) further comprises a built-in tube configured to allow coolant to flow through the tube. 前記炭化水素が、アルカン、アルケン、アルキン、芳香族炭化水素又はこれらの組合せを含んでなる、請求項1記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the hydrocarbon comprises an alkane, alkene, alkyne, aromatic hydrocarbon, or a combination thereof. 当該装置(20)が炭化水素を分解して複数の顆粒上に炭素を含む皮膜を形成するように構成され、複数の顆粒がシリカを含む、請求項1記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the apparatus (20) is configured to decompose hydrocarbons to form a film comprising carbon on the plurality of granules, wherein the plurality of granules comprise silica. 複数の顆粒のメジアン粒径が約1μm〜約5cmである、請求項1記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the median particle size of the plurality of granules is from about 1 μm to about 5 cm. 複数の顆粒におけるシリカ/炭素モル比が約1:2である、請求項1記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the silica / carbon molar ratio in the plurality of granules is about 1: 2. 炭化水素及びシリカ源が装置(20)の一方の端部に連続的に供給され、ソーラーグレードシリコンが装置(20)の反対側端部から回収される、請求項1記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the hydrocarbon and silica sources are continuously fed to one end of the apparatus (20) and solar grade silicon is recovered from the opposite end of the apparatus (20).
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